Publicado: 
30 de octubre de 2001

Asombrosa GRACE

El próximo año, un par de satélites comenzarán a mapear las diminutas variaciones en el campo gravitacional de la Tierra, lo que por primera vez permitirá a los científicos rastrear los movimientos de masas alrededor y en el interior del globo terrestre.

NASA

Centro Marshall de Vuelos Espaciales

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Octubre 30, 2001: ¡Si Sir Isaac Newton estuviera vivo! El genio creador de la primera teoría sobre la gravedad estaría seguramente sorprendido por el próximo Experimento de Recuperacón Gravitacional y Clima de la NASA. Mejor conocida como "GRACE" por sus siglas en inglés (Gravity Recovery And Climate Experiment), la misión utilizará un par de satélites para rastrear diminutas variaciones en el campo gravitacional de nuestro planeta.

En la época de Newton, la mayoría de los científicos pensaba que la gravedad de la Tierra era constante en todo lugar. Después de todo, los viajeros del mundo pesaban más o menos lo mismo sin importar a donde fueran. Y por la superficie de todo el planeta, las manzanas parecían caer con la misma velocidad.

Pero ahora sabemos la verdad. Nuestro planeta es desparejo y también lo es su campo gravitacional. Las variaciones son muy leves, mucho menos del 1%. Sin embargo, son importantes. Cambios imperceptibles en la gravedad, de un lugar a otro y a través del tiempo, pueden revelar muchas cosas acerca de los océanos de la Tierra y del interior escondido de nuestro planeta.

 

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Arriba: Un mapa exagerado del "desparejo" campo gravitacional de la Tierra. Un punto bajo, cerca de la costa de India señala los restos de algunas características antiguas del manto asociado con la tectónica de placas, que produjo la colisión de la India con los Himalayas. GRACE mejorará 100 veces la precisión de este mapa. [más información]

"Cada mes, durante los cinco años de vida de GRACE, obtendremos un mapa del campo gravitacional de la Tierra", dice Michael Watkins, científico del proyecto GRACE  en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (Jet Propulsion Laboratory  o JPL) de la NASA. "Podremos observar varios fenómenos que involucran el transporte de masa alrededor (de la Tierra) -- y cuánta masa se está moviendo. Esta importante información, no es fácil de obtener con otro tipo de mediciones".

¿Cómo es que GRACE, desde el espacio puede medir estas sutiles variaciones en la gravedad? Después de todo, los satélites estarán en caída libre alrededor de la Tierra (como objetos en órbita), por lo que no pueden medir la gravedad como lo hacen los gravímetros en la superficie: midiendo cuán fuerte el suelo empuja hacia arriba el peso del gravímetro.

Para medir la fuerza de gravedad en caída libre, GRACE  utilizará un par de satélites idénticos, en la misma órbita -- uno de los satélites se encontrará a 220 km (137 millas) adelante del otro. A medida que ambos giren en órbita alrededor de la Tierra, las regiones con gravedad ligeramente más fuerte afectarán al primer satélite, alejándolo levemente del segundo.GRACE podrá detectar pequeñas fluctuaciones en el campo gravitacional, midiendo la distancia entre los dos satélites con extraordinaria precisión (los satélites pueden detectar un cambio en la distancia que los separa de un micrómetro -- casi un 1/50 del espesor de un cabello humano).

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Izquierda: Los satélites gemelos de GRACE utilizarán medidores de distancia muy sensibles, en la zona de microondas, para medir la distancia que los separa. Imagen cortesía del  Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA..

Los mapas de gravedad generados por GRACE  tendrán una resolución espacial de casi 300 km sobre el suelo. Los científicos esperan que los mapas revelen muchas de las complejas características causadas, por ejemplo, por montañas, planchas  de hielo, y placas oceánicas sumergidas. La estructura de la Tierra a gran escala (aplanada en los polos y abultada en el ecuador) también aparecerá en los mapas.

Mapas del campo gravitacional de la Tierra ya existen, pero GRACE aumentará 100 veces su precisión y permitirá a los científicos medir los cambios que pudieran ocurrir.

El estudio de los océanos se beneficiará enormemente con estos datos. Por ejemplo, los mapas de GRACE revelarán nueva información acerca de los océanos de nuestro planeta. Libre de otras influencias, la superficie el océano tenderá a adoptar la forma de "geoide",  la superficie imaginaria sobre la cual la atracción gravitacional es igual en todas partes. Pero la altura de la superficie del mar -- rutinariamente medida por el satélite TOPEX/Poseidon -- también varía debido a las corrientes oceánicas a grandes escalas y a cambios en la temperatura del agua. Juntos, GRACE y TOPEX/Poseidon podrán distinguir entre estos efectos.

Dice Watkins: "Lo que un oceanógrafo quisiera saber es en que medida la  forma de la superficie del océano es consecuencia de que ésta siga las características impuestas por el geoide -- y qué parte de ésto es de interés para los oceanógrafos, como las corrientes. Usted tiene que descontar el geoide para obtener la parte oceanográfica".

Abajo: el científico del proyecto GRACE Michael Watkins realiza un experimento gravitacional de baja tecnología en el Laboratorio de Propulsión a Chorro.

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Teniendo una idea más exacta sobre la contribución de la gravedad, los científicos podrán obtener mejores conclusiones sobre las temperaturas y corrientes oceánicas -- una información esencial para entender el clima global.

Un aspecto particularmente apasionante de la misión GRACE, dice Watkins,  es la posibilidad de observar cambios en el campo gravitacional a través del tiempo. La gravedad es la "sombra" de la masa, y la masa es una parte fundamental de la ecuación para muchos procesos físicos. Si consideramos la disminución del espesor de gigantescas placas de hielo, el flujo de agua a través de los acuíferos subterráneos, o las lentas corrientes de magma en lo profundo de la Tierra, la posibilidad de tener mediciones directas de la cantidad de masa involucrada, permitirá a los científicos llegar a conclusiones más acertadas acerca de estos importantes procesos naturales.

"Usted puede determinar, por ejemplo, si el nivel del mar está subiendo debido a aumento del agua proveniente del deshielo, o si se debe a que el agua se ha expandido simplemente por calentamiento", dice Watkins.

"Si usted mide la altura de la superficie del océano simplemente con un altímetro, es difícil separar el cambio de volumen de un incremento en la masa. GRACE proporcionará esta información adicional sobre la masa necesaria, para entender lo que realmente está sucediendo.

Ante los ojos de la gravedad, toda masa es creada de la misma manera, por supuesto. Por esta razón, los científicos tendrán que ponerse sus impermeables London Fog® y realizar un poco de trabajo de detective para averiguar "¿quién lo hizo?" ¿Fue el incremento de los niveles de agua en los acuíferos subterráneos? ¿O fue quizás el movimiento de rocas fundidas en lo profundo de la superficie de la Tierra?

Afortunadamente, existen pistas que los científicos pueden utilizar para encontrar al culpable.

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Primero que todo, los científicos "restarán" los efectos producidos por los movimientos de la atmósfera. Los meteorólogos han llegado a ser muy diestros para estimar la distribución de masa en la atmósfera utilizando la gran cantidad de datos producidos por las estaciones meteorológicas alrededor del mundo y los satélites climatológicos que giran alrededor de él. Estos estimados determinarán que parte de las mediciones de GRACE se debe a la atmósfera, y permitirán a los científicos "pelar" la atmósfera para observar la superficie y la capa debajo de ella.

Arriba: Siendo el cambio de clima a nivel mundial una preocupación creciente, los científicos siguen atentamente los cambios en las placas de hielo y glaciares del mundo. Imagen cortesía Centro para Vuelos Espaciales Goddard de la NASA .

Utilizarán luego una variedad de  trucos para entender exactamente qué tipo de masa es -- agua, hielo o magma -- la que GRACE está viendo moverse. Estos  procesos diferentes tienen escalas de tiempo características. Es de esperarse que aguas de superfice, tales como lagos y ríos, produzcan cambios más rápidos que las corrientes oceánicas, y éstas deberían producir cambios más rápidos que la circulación de magma en las profundidades.

"Los efectos de las corrientes de convección en el manto de la Tierra podrían ponerse en evidencia en cualquier lugar. Un evento podría involucrar el flujo de masa a cientos de kilómetros debajo de la Tierra, como podría ser debajo de Ohio o de un océano o en cualquier lugar. Pero no es de esperar que eso cambie de mes a mes", dice Watkins. "Y usted puede saber con bastante certeza que el movimiento de masa es un evento hidrológico si, por ejemplo, tiene correlación con precipitaciones ".

En otras palabras, los científicos utilizarán otras fuentes de información -- tales como datos de precipitaciones,  conocimientos geográficos, y datos provenientes de otros satélites -- para establecer con exactitud qué evento está causando el pequeño cambio en el campo gravitacional.

Este tipo de inferencia es una nueva ciencia, indica Watkins, y los métodos para obtener conclusiones basados en los datos de GRACE tomarán algún tiempo para ser perfeccionados.

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Arriba: La Tierra es un planeta geológicamente activo -- su masa está siempre cambiando lentamente. Estos movimientos tienen características de escala de tiempo diferentes a otros movimientos de masa, tales como el flujo de agua. Los científicos utilizarán a GRACE  para estudiar fenómenos geológicos, hidrológicos y glaciológicos.

Una vez que la cantidad de masa involucrada en, por ejemplo, la disminución del espesor de una placa de hielo ha sido determinada, los científicos combinarán este conocimiento con otros datos en un tipo de sinergía que permitirá obtener conclusiones de otra manera imposibles.

"Usted puede obtener más información considerando el cambio volumétrico en el hielo y su cambio de masa por separado", dice Watkins. "Resulta que la combinación entre el altímetro láser [a bordo de TOPEX/Poseidon] y GRACE puede dilucidar esta pregunta mucho mejor que considerando ambos por separado.

Abajo: Esta imagen muestra cambios en la placa de hielo de Groenlandia entre 1994 y 1999, medidos por un altímetro láser aereotransportado. Las áreas azules más oscuras indican una mayor reducción en la altura de la placa de hielo, mientras que las áreas marcadas en gris claro corresponden a zonas donde el espesor del hielo se ha incrementado levemente. Datos de masa provenientes de GRACE ayudarán a los científicos a entender cual es el verdadero significado de tales cambios en el espesor del hielo.

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Otros satélites también producen datos que complementarán los de GRACE. ICESat, por ejemplo, medirá exactamente la superfice de las placas de hielo y glaciares del mundo. Y la futura misión Aqua de la NASA detectará la humedad del suelo.

"GRACE es realmente el único instrumento que puede darnos información acerca de la acumulación de agua. Esta información es un elemento interesante que podemos combinar con misiones cuyo objetivo es determinar la humedad del suelo, para obtener una mejor idea sobre el ciclo hidrológico".

Las mediciones de masa de GRACE serán combinadas también con una gran cantidad de diferentes tipos de datos sobre el medio ambiente recolectados a la manera antigua: por científicos en tierra.

"Lo que realmente marca la diferencia es la combinación de esta serie de datos. De todas maneras, ésta es una tendencia general en la ciencia de hoy -- tratar de combinar diferentes tipos de datos en modelos computarizados", dice Watkins.

A través de mediciones de fluctuaciones de gravedad y masa alrededor del mundo, GRACE brindará nuevos aportes al juego de herramientas que los científicos utilizan para estudiar el clima y la geología de la Tierra. Gracias a esta nueva perspectiva, GRACE marca un hito impresionante a medida que la humanidad continúa el estudio de la gravedad de la Tierra, que comenzó con Newton hace tres siglos.

Enlaces a la Red La Misión GRACE -- página principal con mucha información sobre la misión GRACE y los asombrosos instrumentos científicos que harán posible mediciones tan exactas.

Entrevista con Watkins -- "Poniéndose al Tanto de la Gravedad " -- de la página del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.

Ciencias del Océano en el JPL -- información sobre cómo los datos satelitales se utilizan para entender mejor a los océanos de la Tierra. Incluye una imagen de la altura de la superficie del mar generada con los datos provenientes de TOPEX/Poseidon.

Oceanografía NASA  -- un resumen acerca de las distintas maneras en las que NASA participa y contribuye a la ciencia de los océanos.

TOPEX/Poseidon -- página principal de la misión de mapeo de la superficie de los océanos NASA/CNES, del JPL

Satélite Aqua  -- página principal del Centro para Vuelos Espaciales Goddard de la NASA.

ICESat -- página principal del GSFC

El Caprichoso Clima Terrestre -- artículo de Science@NASA (en inglés) que discute la disminución del espesor de la placa de hielo observada en Groenlandia y la dificultad en determinar el rol de la humanidad en causar dichos cambios.
 

 

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